水庫(kù)塌岸預(yù)測(cè)方法的運(yùn)用淺析

孫春山

（湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院 長(zhǎng)沙市 410007）

水庫(kù)建成蓄水之后，由于水位升高，造成庫(kù)內(nèi)河流局部侵蝕基準(zhǔn)面和兩岸地下水抬高。庫(kù)區(qū)水文地質(zhì)條件發(fā)生變化，對(duì)庫(kù)區(qū)及其鄰近地帶的地質(zhì)環(huán)境產(chǎn)生不同程度的影響，從而引起各種工程地質(zhì)問(wèn)題，如水庫(kù)滲漏問(wèn)題，水庫(kù)浸沒(méi)問(wèn)題，水庫(kù)塌岸問(wèn)題或巖質(zhì)岸坡失穩(wěn)，水庫(kù)淤積及水庫(kù)誘發(fā)地震問(wèn)題。本文主要對(duì)水庫(kù)土質(zhì)岸坡塌岸問(wèn)題進(jìn)行淺析，對(duì)目前常用的塌岸預(yù)測(cè)方法進(jìn)行介紹，并對(duì)預(yù)測(cè)方法的擇選進(jìn)行探討。

1 水庫(kù)塌岸的過(guò)程

水庫(kù)塌岸的過(guò)程，就是在水庫(kù)水動(dòng)力作用下原岸坡的破壞和新岸坡的形成過(guò)程。

水庫(kù)蓄水水位抬升，原本處于干燥環(huán)境的土石體遭受庫(kù)水的浸濕或浸泡，其物理力學(xué)強(qiáng)度顯著降低，加之蓄水后水面增寬，庫(kù)水位變幅范圍內(nèi)的岸坡遭受波浪的沖蝕作用較原河流強(qiáng)烈，岸坡開(kāi)始塌落。破壞的快慢決定于土體的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)以及波浪能量的大小。初始塌落物質(zhì)部分被沿岸流運(yùn)走，部分大顆粒物質(zhì)被波浪運(yùn)向深水處堆積下來(lái)形成淺灘。隨著庫(kù)水漲落輪回變化，岸坡不斷改造，水下淺灘的發(fā)展減小了近岸帶的水深，加長(zhǎng)了波浪擊岸的路程，消弱了波浪沖蝕庫(kù)岸的能力，當(dāng)淺灘增長(zhǎng)到足以消耗奔向庫(kù)岸的波浪的全部能量時(shí)，沖蝕和堆積就基本停止下來(lái)，水上、水下岸坡都達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，岸坡再造完成。

2 水庫(kù)塌岸預(yù)測(cè)

水庫(kù)塌岸可使岸邊的建筑物、農(nóng)田遭受毀壞，因此必須對(duì)水庫(kù)塌岸進(jìn)行預(yù)測(cè)，以便遷出塌岸范圍內(nèi)的建筑設(shè)施、避免在塌岸區(qū)內(nèi)新建建筑工程及防治措施。目前常用的預(yù)測(cè)方法有工程地質(zhì)類(lèi)比法、卡丘金計(jì)算法、卓洛塔廖夫圖解法。

（1）卡丘金計(jì)算法。

卡丘金法是以類(lèi)比為基礎(chǔ)的預(yù)測(cè)方法，可預(yù)測(cè)最終塌岸寬度，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1，計(jì)算公式如下：

圖1 卡丘金塌岸計(jì)算公式圖解

式中St——坍岸最終寬度（m）；

N——與土顆粒大小有關(guān)的系數(shù)（粘土為1，冰磧亞粘土為0.8，黃土為0.6～0.8，砂土為0.5，砂卵石為 0.4）；

A——庫(kù)水位變化幅度（m）；

β——水上岸坡穩(wěn)定坡角（°）（表1）；

α——水下岸坡坡角（°），其大小與波高及巖性有關(guān)（圖 2）；

ν——原始岸坡坡角（°）；

hB——浪擊高度或浪爬高（m）；

hP——波浪沖刷深度（m）；

H——浪爬高高程以上岸坡高度（m）；

1——正常高水位；

2——最低水位。

表1 水上岸坡穩(wěn)定坡角

圖2 各種沉積物的水下岸坡坡角與波高的關(guān)系（據(jù)卡丘金）

（2）卓洛塔廖夫圖解法。

此法較適用于具有非均一地質(zhì)結(jié)構(gòu)的庫(kù)岸，如圖3所示，水庫(kù)塌岸后，其岸坡可分為五個(gè)帶：Ⅰ、淺灘外緣斜坡；Ⅱ、堆積淺灘面；Ⅲ、沖蝕淺灘；Ⅳ、波浪爬升斜坡；Ⅴ、水上穩(wěn)定邊坡，各帶的穩(wěn)定坡角互不相同。塌岸后穩(wěn)定剖面形態(tài)和位置與堆積系數(shù)Ka有關(guān)。所謂堆積系數(shù)是指不能被波浪搬走的堆積淺灘的體積V1與岸坡破壞部分體積V2的百分比，由表2確定。圖解步驟如下：

圖3 卓洛塔廖夫法最終塌岸預(yù)測(cè)剖面圖

①繪制預(yù)測(cè)地點(diǎn)的地形地質(zhì)剖面圖。

②標(biāo)出水庫(kù)正常高水位和最低水位。

③有正常高水位向上?。?.3～0.4）h作為波浪爬升高度hB,由最低水位向下，畫(huà)出hp表示波浪沖刷影響深度。

④在波浪影響深度線上取一點(diǎn)a，該點(diǎn)的選取應(yīng)使Ka值與表2數(shù)值相符。

⑤根據(jù)堆積淺灘的巖性和粒度成分、緊密程度，在a點(diǎn)向下繪出外緣斜坡坡角β1，向上繪出淺灘表面坡角β2交于地形線于b點(diǎn)。β1和β2的大小可由表2選取。

表2 水庫(kù)塌岸自然坡角和堆積系數(shù)數(shù)值（據(jù)Г.С.卓洛塔廖夫等）

⑥由b點(diǎn)按β3值繪制浪蝕淺灘坡面線，與正常高水位交于c點(diǎn)。β3視巖性而定，見(jiàn)表2。

⑦由c點(diǎn)按β4值繪制波浪爬升帶坡面線，與波浪爬升高度水位線相交于d點(diǎn)。β4由表2查取。

⑧由d點(diǎn)按β值繪制出水上穩(wěn)定邊坡。

⑨檢驗(yàn)Ka值與表2中經(jīng)驗(yàn)數(shù)值是否相符，如不符，向左或右移動(dòng)a點(diǎn)，并按上述步驟重新作圖，直到所求Ka值經(jīng)驗(yàn)數(shù)值相符為止。堆積系數(shù)可用求積儀量出F1、F2求得。

3 預(yù)測(cè)方法簡(jiǎn)析

縱觀卡丘金法與圖解法，兩者解決問(wèn)題的思路基本一致，現(xiàn)對(duì)兩方法簡(jiǎn)析如下：

（1）卡丘金法雖未考慮塌落物質(zhì)再沉積對(duì)岸坡的保護(hù)作用，但推薦公式中，參數(shù)N為與土的顆粒成分有關(guān)的系數(shù)（粘土為1，冰磧亞粘土為0.8，黃土為 0.6～0.8，砂土為 0.5，砂卵石為 0.4），從而彌補(bǔ)了這一缺陷。公式中雖給出了各參數(shù)的參考值，在實(shí)際選用時(shí)，對(duì)于水上岸坡穩(wěn)定坡角和水下岸坡坡角應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和對(duì)地質(zhì)條件相似的已建水庫(kù)庫(kù)岸的各類(lèi)穩(wěn)定坡角進(jìn)行收集類(lèi)比。

（2）圖解法雖考慮了塌落物質(zhì)再沉積對(duì)岸坡的保護(hù)作用，但表2中所列淺灘坡角（水下穩(wěn)定坡角）β3數(shù)值與省內(nèi)、外已建或再建的多座水庫(kù)坍岸調(diào)查結(jié)果相比均偏小，如已建的白漁潭庫(kù)區(qū)粉質(zhì)粘土β3=8°～9°，已建的近尾洲庫(kù)區(qū)粘土 β3=8°～9°、壤土 β3=10°，在建的云南小中甸庫(kù)區(qū)含泥砂卵礫石β3=13°～15°。因此，在選用圖解法進(jìn)行塌岸預(yù)測(cè)時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)水上穩(wěn)定坡角、浪擊帶坡角和水下淺灘穩(wěn)定坡角的調(diào)查和地質(zhì)條件相似的已建水庫(kù)庫(kù)岸的各類(lèi)坡角，進(jìn)行對(duì)比選用。圖解中堆積系數(shù)Ka雖給出了經(jīng)驗(yàn)值，但其只是根據(jù)不同巖性給出不同的參考值，在實(shí)際應(yīng)用中還要結(jié)合水文氣象因素、庫(kù)岸形態(tài)等進(jìn)行選用和取舍。

4 預(yù)測(cè)方法擇選

綜上所述，兩方法均考慮了水庫(kù)塌岸過(guò)程中塌落物質(zhì)再沉積對(duì)岸坡的保護(hù)作用，對(duì)于一般庫(kù)岸預(yù)測(cè)均能滿(mǎn)足要求。但在實(shí)際運(yùn)用中，根據(jù)不同的情況還需對(duì)上述方法進(jìn)行變動(dòng)，具體如下：

（1）上述介紹的卡丘金計(jì)算法僅適用于均質(zhì)岸坡，對(duì)于雙層或多層庫(kù)岸進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，公式變動(dòng)如下：

式中mβi——水上岸壁第i層厚度（m）；

βi——第i層水上岸坡角；

n——巖土層的層數(shù)。

其余符號(hào)同前。

（2）當(dāng)臨庫(kù)岸水下地形較陡，為深泓區(qū)時(shí)，塌落物質(zhì)均被波浪運(yùn)往遠(yuǎn)處，對(duì)岸坡不能形成保護(hù)作用?？ㄇ鸾鹩?jì)算公式中的N值去應(yīng)取1，圖解法中堆積系數(shù)Ka應(yīng)取0。

（3）當(dāng)庫(kù)岸前存在一級(jí)階地或河漫灘，且階地或河漫灘高于水庫(kù)最低水位時(shí)?？ㄇ鸾鹩?jì)算公式中則以階地或河漫灘的后緣高程代替水庫(kù)最低水位，且不必考慮波浪沖刷影響深度，其公式變動(dòng)如下：

式中A——水庫(kù)高水位與階地或河漫灘的后緣高程差（m）。

其余符號(hào)同前。

同樣此種情況下，圖解法同樣以階地或河漫灘的后緣高程代替水庫(kù)最低水位，也不必考慮波浪沖刷影響深度，做圖第④步驟中a點(diǎn)取于階地或河漫灘的后緣高程線以上進(jìn)行作圖，其它要求同前。

（4）當(dāng)預(yù)測(cè)地段為“V”字型狹窄溝谷或沖溝時(shí)，由于溪溝來(lái)水量有限，沿岸流搬運(yùn)能力弱，大部分塌岸物質(zhì)被保留原地。針對(duì)此種地形地貌條件，卡丘金法不適用，應(yīng)采用圖解法進(jìn)行預(yù)測(cè)，且兩岸應(yīng)同時(shí)進(jìn)行預(yù)測(cè)，綜合考慮兩岸塌岸物質(zhì)對(duì)岸坡的保護(hù)作用，并合理選用堆積系數(shù)Ka值。

（5）在實(shí)際庫(kù)岸坍岸預(yù)測(cè)過(guò)程中，各種參數(shù)的選擇還應(yīng)考慮庫(kù)岸的形態(tài)，同種條件下，水庫(kù)凹岸塌岸輕微、平直岸段次之，凸岸段塌岸強(qiáng)烈。

5 結(jié) 語(yǔ)

（1）水庫(kù)塌岸是由庫(kù)岸原始坡度和地形、地層巖性、地層結(jié)構(gòu)、水文氣象及水動(dòng)力條件等綜合作用的結(jié)果。在不同水庫(kù)和統(tǒng)一水庫(kù)的不同地段，即使在相同的蓄水期內(nèi)，塌岸的發(fā)展速度和程度也可能是不相同的。因此，必須在綜合考慮各因素的基礎(chǔ)上，抓住主導(dǎo)因素，才能正確分析水庫(kù)塌岸的發(fā)展趨勢(shì)，作出可靠的預(yù)測(cè)。

（2）影響塌岸寬度主要因素之一是水下穩(wěn)定坡角，在預(yù)測(cè)塌岸寬度時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)水下穩(wěn)定坡角的調(diào)查和地質(zhì)條件相似的已建水庫(kù)庫(kù)岸水下穩(wěn)定坡角的收集，進(jìn)行對(duì)比選用。

（3）庫(kù)塌岸過(guò)程中，塌岸物質(zhì)對(duì)岸坡的保護(hù)作用也是影響塌岸寬度的重要因素。故在今后工作中研究特定水動(dòng)力條件下不同巖性不同地形條件下的堆積系數(shù)是十分必要的。同樣卡丘金推薦公式中，參數(shù)N在特定水動(dòng)力條件下不同巖性不同地形條件下的取值也是值得研究的方向。

1 陸兆溱.工程地質(zhì)學(xué)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2001.

2 水利電力部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)院.水利水電工程地質(zhì)手冊(cè)[M].北京：水利電力出版社,1985.

3 左小平.湖南徑流式電站水庫(kù)土質(zhì)岸坡坍岸預(yù)測(cè)淺析[M].長(zhǎng)沙：湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2004.

4 中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).GB 50487-2008.水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].2008.

5 中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).GB 50287-2006.水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].2006.